4.3鋼的退火(anneal)與正火(normalize)在機械零件或工模具等工件的制造過程中，往往要經過各種冷、熱加工，且各加工工序中，還經常要穿插多次的熱處理工序。如，鑄造或鍛造（組織不均、魏氏組織、晶粒粗大、殘余應力）→退火或正火（預先熱處理）→機加工→淬火＋回火（最終熱處理）→精加工等。生產中，熱處理分為預先熱處理和最終熱處理兩類。預先熱處理：為消除前道工序造成的某些缺陷，或為隨后的切削加工和最終熱處理作好準備的熱處理。最終熱處理：使工件滿足使用性能要求的熱處理。退火或正火的主要目的：（1）改善鋼件硬度，有利于切削加工（160－230HB是最適于切削加工的硬度）（2）消除殘余應力(σ殘)，穩定尺寸，防變形、開裂（3）均勻化學成分（枝晶偏析），細化晶粒，改善組織和性能（4）為最終熱處理（淬、回火）作好組織上的準備（5）對性能要求不高的機械零件或工程構件，退火和正火也可以作為最終熱處理。

4.3.1退火定義：是將鋼加熱至適當溫度，保溫一定時間后緩冷（一般隨爐冷卻），以達到改善組織、提高加工性能的一種熱處理工藝。主要目的：減輕鋼的成分與組織的不均勻性，細化晶粒，降低硬度，消除內應力，為最終熱處理作好組織準備。根據鋼的成分與熱處理目的的不同，退火分為完全退火、等溫退火、球化退火、均勻化退火、去應力退火、再結晶退火等幾種。（一）完全退火將鋼加熱至Ac3以上20－30℃，保溫一定時間后緩冷，以獲得接近平衡組織的一種熱處理工藝。目的：細化晶粒，均勻組織，消除內應力，降低硬度，改善鋼的切削加工性。主要用于亞共析碳鋼和合金鋼的鑄件、鍛件及熱軋型材。而低碳鋼和過共析鋼不宜采用完全退火。低碳鋼完全退火后硬度偏低，不利于切削加工；而過共析鋼加熱溫度在Accm以上，會有網狀Fe3CII沿A晶界析出，使鋼脆性增加。（二）等溫退火將鋼加熱到Ac3以上（亞共析鋼）或Ac1－Accm之間（過共析鋼）A化后，以較快的速度冷至Ar1以下，等溫一段時間，使A轉變為P，再空冷至室溫。目的：可達到與完全退火相同的目的，有效縮短退火時間，提高效率。適于高碳鋼、合金工具鋼和高合金鋼。（三）球化退火將過共析鋼加熱到Ac1以上20－30℃，保溫一定時間，然后緩冷到600℃以下，再出爐空冷。目的：球化Fe3C，以降低硬度，改善切削加工性，為淬火作好組織準備。若原組織中存在嚴重的Fe3CII網，應先正火消除Fe3CII網（破碎），再球化退火。主要用于共析鋼及過共析鋼。（四）均勻化退火將鋼加熱到Ac3以上150－300℃（通常1000－1200℃，固相線以下100－200℃）保溫10－15h，然后隨爐緩冷。高溫長時間加熱使鋼中原子充分擴散而均勻化，所以又稱為擴散退火。擴散退火后鋼的晶粒非常粗大，需要再進行完全退火或正火。目的：消除鑄造時產生的枝晶偏析，使成分均勻。主要用于合金鋼鑄錠和鑄件。（五）去應力退火將工件緩慢加熱到Ac1以下100－200℃（一般500－650℃），保溫一定時間，隨爐緩冷。又稱為低溫退火。目的：主要用于消除工件冷、熱加工后產生的殘余內應力，避免工件的變形和開裂。（六）再結晶退火將鋼加熱至再結晶溫度（0.4T熔）以上150－250℃，保溫，緩冷。再結晶：冷變形后的金屬加熱到一定溫度后，在原來的變形組織中重新產生了無畸變的新晶粒，內應力完全消除，而性能也發生了明顯的變化，并恢復到冷塑性變形以前的水平，此過程為再結晶。目的：消除冷變形鋼中的加工硬化，恢復塑性。通常用于冷變形件。4.3.2正火定義：將鋼加熱到Ac3或Accm以上30－50℃，保溫，空冷。正火實質上是退火的一個特例，差別主要在于正火冷卻速度較快，過冷度大，所以發生偽共析轉變，P的量增加，片層間距小。Wc=0.6-1.4%的鋼正火后，組織中一般不出現先析相，只有P或S。與退火比，正火鋼的力學性能高，操作簡便，生產周期短，成本低，所以生產中應盡量用正火代替退火。正火主要用于以下幾方面：（1）作為普通結構零件的最終熱處理。（2）改善低C鋼和低合金鋼的切削加工性。（160－230HB切削加工最好）（3）作為中C結構鋼重要件的預先熱處理。如，表硬心韌件：先正火，再滲碳＋淬火、回火（4）消除過共析鋼中的網狀Fe3CII，為球化退火作好組織準備。（因為正火冷速快，Fe3CII來不及沿晶界呈網狀析出。）綜上所述，一般低C鋼－正火；中C鋼（亞共析鋼）－完全退火（或正火）；高C鋼、高合金鋼（共析鋼、過共析鋼）－球化退火；各成分鋼－去應力退火。4.4鋼的淬火(quench)定義：將鋼加熱到Ac1或Ac3以上，保溫一定時間，快速冷卻，以獲得M（或下B）組織的一種熱處理工藝。是強化鋼材最重要的熱處理方法。M并不是熱處理所要求的最終組織，一般淬火后必須回火，回火決定了工件熱處理后的最終組織。4.4.1淬火工藝4.4.1.1淬火加熱溫度亞共析鋼：T＝Ac3+30～50℃共析鋼（過共析鋼）：T＝Ac1+30～50℃亞共析鋼：若加熱溫度過低，<Ac3，組織中保留部分先析F，降低淬火鋼硬度；若加熱溫度過高，A晶粒粗化，氧化脫碳，降低性能。過共析鋼：一般淬火前球化退火，加熱至Ac1以上，組織為A＋部分粒狀Fe3C，淬火后，得到M＋粒狀Fe3C，提高硬度和耐磨性。反之，若加熱溫度>Accm，使性能下降。原因：（1）Fe3C完全溶入A，Wc增加，Ms、Mf下降，淬火后Ar增加，降低硬度和耐磨性；（2）A晶粒粗化，淬火后M粗大，脆性增加。4.4.1.2淬火加熱時間（加熱升溫＋保溫時間）常根據工件有效厚度，利用經驗公式：t=αD其中，t－加熱時間（min）；α－加熱系數（min/mm）；D－工件有效厚度（mm）

4.4.1.3淬火冷卻介質淬火冷卻，既要快冷，以獲得M，又要減少變形和防止開裂。1、理想淬火冷速由C曲線可知，要獲得M組織，不需要整個冷卻過程中都快速冷卻，關鍵是在過冷A最不穩定的C曲線鼻尖附近要快冷，而在鼻尖上部和下部穩定區，為降低熱應力，應緩冷，特別是Ms以下冷卻速度應更慢。（M轉變體積增加，引起相變應力，導致變形、開裂）2、常用淬火冷卻介質水、油、鹽或堿的水溶液、硝鹽浴、堿浴（1）水冷卻特性不理想：需快冷的650－500℃范圍，冷速較大；需慢冷的300－200℃，冷速也較大。但水的價格便宜，使用安全，無燃燒、腐蝕危險，且冷卻能力較強，所以目前，在碳鋼中仍最常用。主要用于形狀簡單、截面較大的碳鋼零件。

（2）食鹽水溶液冷卻能力為水的十倍，且最大冷速所在溫度剛好處在650－500℃范圍，但300－200℃冷速過大，大大增加了相變應力。為保證冷沖模具獲得較深的淬硬層，一般用鹽水速冷，但為防止300－200℃以下溫度范圍內冷速過大造成變形，讓模具在鹽水中停留一定時間后立即轉入油中繼續冷卻，使M相變在冷卻能力較弱的油中進行。另外，有腐蝕性，淬火后工件須清洗。（3）苛性鈉（燒堿、火堿）水溶液650－500℃范圍冷速大于食鹽溶液。缺點：腐蝕性大，沒有鹽溶液應用廣泛。（4）油特點：在300－200℃范圍，冷速遠小于水，有利于降低淬火變形與開裂；但在650－500℃范圍內，冷速也比水小得多。適于過冷A穩定性大的合金鋼的淬火。（5）硝鹽浴、堿浴低溫區域，硝鹽浴和堿浴的冷卻能力都比油弱。主要用于截面不大、形狀復雜、變形要求嚴格的合金工具鋼的分級淬火和等溫淬火。此外，使用效果較好的新型淬火冷卻介質有：過飽和硝鹽水溶液、ZnCl2－堿水溶液、水玻璃淬火劑、以聚乙烯醇為主的合成淬火劑等。4.4.2淬火方法目前，還沒有一種冷卻介質能完全滿足理想淬火冷速的要求，所以，還需改進淬火方法，既能淬硬工件，又能降低淬火應力。常用淬火方法：1．單液淬火法（單介質淬火）將A化后的工件投入一種淬火介質中，一直冷至室溫的淬火。常用于形狀簡單件；如，碳鋼水淬，合金鋼油淬；2．雙液淬火法先將A化的工件投入冷卻能力較強的介質中，冷卻到稍高于Ms溫度，再立即轉入另一冷卻能力較弱的介質中，發生M轉變。如，碳鋼通常先水淬后油冷；合金鋼先油淬后空冷。此方法能把兩種不同冷卻能力介質的長處結合起來，既保證獲得M組織，又降低淬火應力，防止變形與開裂。等溫淬火得到的是下B，具有良好的綜合力學性能。適于處理形狀復雜、尺寸較小，要求較高硬度和韌性的工件（即綜合性能），如彈簧、軸。5．預冷淬火法把A化的工件從加熱爐中取出后，先在空氣中預冷到一定溫度，再投入淬火冷卻介質中冷卻。可減小淬火變形與開裂。3．分級淬火法將A化的工件先投入溫度在Ms附近（現在多略低于Ms溫度）的鹽浴或堿浴等淬火介質中，停留適當時間，然后取出空冷，以獲得M組織。分級淬火介質冷卻能力較弱，為避免心部發生P轉變，所以只適于截面較小而形狀復雜的工件。4．等溫淬火法將A化的工件投入溫度稍高于Ms的鹽浴或堿浴中，保溫足夠時間，使其發生下B轉變后取出空冷。4.5鋼的淬透性4.5.1淬透性概念淬透性：指A化后的鋼淬火時獲得M的能力。其大小可用鋼在一定條件下淬火獲得淬透層的深度表示，淬透層越深，表明鋼的淬透性越好。它是鋼材本身固有的屬性。未淬透：淬火時，工件截面上各處冷卻速度不同，表面冷速最大，越到中心冷速越小，距表層某深度處冷速低于Vc，淬火后有非M組織出現，這時稱工件未淬透。淬透層深度：由工件表面測量至半M區（50％M＋50％非M）的垂直距離。淬透層深度受鋼的淬透性、工件尺寸及淬火介質的冷卻能力等諸多因素的影響。區別淬透性和淬硬性：淬硬性（可硬性）：指鋼在淬火后能達到最高硬度的能力。主要取決于M的含碳量。含碳量越高，淬硬性越好。淬透性和淬硬性沒有必然的聯系；比如，低碳合金鋼的淬透性相當好，但淬硬性不高；而高碳工具鋼淬透性較差，但淬硬性很高。原因：淬透軸調質后整個截面為均勻的S回，其Fe3C呈粒狀；而未淬透軸，靠近心部的組織中，Fe3C仍呈片狀，所以性能低。選材時，根據工件對鋼材淬透性的具體要求，合理選材。如，對于一些重要零件，如承受較大載荷的螺栓、拉桿等，常常要求其心部和表面機械性能一致，應當選用能全部淬透的鋼。對于承受彎曲和扭轉的軸類零件，不需要一定淬透，因而可選用較低淬透性的鋼，只要保證淬透層深度為工件半徑的1/3-1/2即可。對于需要焊接的工件，則不能選用高淬透性的鋼，否則在焊縫熱影響區內出現淬火組織，造成焊件的變形和開裂。

4.5.2淬透性對鋼熱處理后力學性能的影響對力學性能有直接的影響：比如，用淬透性不同的兩種鋼材制成直徑相同的軸，進行淬火＋高回（調質處理）。淬透性好，則整個截面淬透；另一個未淬透。雖然表面硬度相同，但力學性能差異顯著：淬透性好的鋼，其力學性能沿截面基本相同；而淬透性差的鋼，沿截面分布不同，越接近中心力學性能越低，尤其是韌性。4.5.3影響淬透性及淬透深度的因素4.5.3.1影響淬透性及淬透深度的因素（一）影響淬透性的因素凡能提高過冷A的穩定性，降低臨界冷速的因素，使鋼件在一定條件下淬火后得到的淬透層深度就越大，鋼的淬透性越好。（1）A化學成分除Co外的合金元素，都使C曲線右移，均提高過冷A穩定性，提高淬透性。（2）A化條件A化溫度越高，保溫時間越長→成分越均勻，A越穩定，C曲線右移，臨界冷速降低→淬透性提高（3）鋼中未溶第二相粒子，使A成分不均勻，臨界冷速提高，降低淬透性。（二）影響淬透深度的因素淬透深度與淬透性密切相關，但不完全相同。淬透深度的影響因素有：淬透性、工件形狀尺寸、冷卻介質等。相同A化條件下，同一鋼種的淬透性相同，但淬透深度隨情況而定。如，同一鋼種在相同A化條件下，水淬比油淬淬透層深，小件比大件淬透層深。但不能說：同一鋼水淬比油淬淬透性好，小件比大件淬透性好。只有在其它條件相同的情況下，才可按淬透層深度判定鋼的淬透性高低。

4.5.3.2淬透性的測定與表示方法1．末端淬火法（端淬法）最常用的方法。將標準試樣A化后迅速置于末端淬火支架上，然后從試樣末端噴水冷卻。由于試樣末端冷卻最快，越往上冷卻越慢，所以沿試樣長度方向可測出各冷速下的不同組織與硬度，繪出其淬透性曲線。其中，J表示末端淬透性，d表示至水冷端的距離（mm），HRC為在該處測得的硬度值。距水冷端5mm處的硬度值為HRC42。2．臨鄙界直士徑法臨界減直徑舍：指賺鋼在翠某淬婚火冷濟卻介沙質中誕冷卻企時，椅其心部晨能淬萍透（即屠心部學得到揮半M組織柜）的仗最大拒直徑咱，用Dc表示引。同一倒冷卻藍介質侵，Dc越大俱，淬役透性鬧越好牌。3．斷年口檢欺驗法通過蕩觀察惜斷口漿形態粉，可招測出奏淬透物層深刷度，繳從而肢評定湖淬透俱性。主要躍用于叮碳素雕工具躬鋼。4.架5.網3.饞2淬透潑性曲微線的甘應用1．根患據淬貌透性京曲線詠可以供比較劍不同違鋼種相的淬粗透性攝大小由半M區硬壤度與泡鋼的弊含碳榆量的拍關系執曲線敬獲得半M區硬方度，過方此點父作一活水平盡線與漏淬透術性曲層線相糾交，猴交點陡處對宇應的銳距離領即為某相應救鋼種河的半M區至曾水冷晴端的搜距離潑。該距離雁越大前，鋼名的淬良透性倦越好。2．可誕以確權定鋼技棒的滔臨界印淬火掉直徑由半M區至溫水冷棵端距渡離向居上作劈燕垂線駁，與久中心速線相窮交，患交點便向左凳作水災平線殿，與陳縱軸捧的交垮點即犬為臨槍界淬糠火直染徑。(a欺)水淬(b毅)油淬3．可淺確定遞鋼件活截面蹄上的室硬度練分布根據烏鋼材星直徑塌作水武平線參，與墻表面傷、3/念4直徑巾、1/偶2直徑糟以及算中心喇線的羞交點辯，找管到對沙應的叼距水廚冷端屈的距婆離，輛從鋼錄的淬蔑透性駕曲線符上找閃到它框們相巴應的渴硬度慎值。4.碌5.曾3.姓3常見它淬火欄缺陷聞及防崇止常見捉淬火乳缺陷炕：硬酷度不拖足（斬含C量）盛；變鏈形，鑒開裂慚（σ淬>σs，變移形；σ淬>σb，開作裂）措施鏡：（1）正啄確選燦材，蠻合理啟設計服，降盤低應視力集淘中（世如避悔免尖爐角、娃不對胞稱）（2）淬靈火前勉退火炎或正悄火，憶以細妄化晶拴粒，薦均勻請組織主，降測低淬綿火內脅應力（3）加咸熱時文嚴格逮控制竭加熱T（溫蜻度過航高，金晶粒藏粗化販，降想低性至能）（4）合鉆適的率冷卻群方法昆，如昨，雙據液淬腿火，最分級耀淬火省，等車溫淬匆火等（5）淬添火后難及時薪回火撕，消模除應骨力4.誤6鋼的筒回火(t里em雨pe溝r)定義幣：將收淬火齒鋼重振新加處熱到Ac添1以下瘡的某葬溫，幼保溫關一定鞏時間傻（一炎般1－3h），繡然后埋冷至茫室溫摘（一咸般空境冷）掘的熱追處理尋工藝自。4.家6.數1回火跨的目祥的（1）獲翼得工若件所洞需的坐組織阿和性艙能通常富淬火厭組織傾為M＋少潛量Ar，雖扁然有風高的途強度體和硬尊度，氣但塑豈韌性奸低。（2）穩歸定工星件尺肅寸M和Ar都是拌不穩中定組飾織，號具有錢自發家向穩轟定組筍織轉甘變的型趨勢耽，引惱起工簽件形殊狀和攪尺寸披的改裕變。（3）消甚除淬踐火內圾應力貌，避園免變資形、沈開裂4.府6.雜2淬火素鋼的巷回火無轉變淬火M和Ar在回黃火過兇程中銜，都帝會向蜻穩定暗的F和Fe3C（或紫碳化判物）宇的兩撕相組泊織轉傻變。在不垂同溫匠度范蔑圍內齡回火舊，將毛發生緣瑞以下嫂四種晶轉變犬：（1）M的分教解（<2傾00夫℃）10哄0℃以上刪回火糊時，M中過彼飽和放碳原西子以ε碳化握物的形脈式析紀出而扎分解灘，M中C的過毯飽和附度下柄降，培正方陳度（c/喊a）下箱降。這時亦回火語組織舒是由浪含碳過飽莖和的α固溶演體和ε碳化尖物組成跨，稱侍為M回。鋼的遭硬度恥不降獲，但獻由于ε碳化鳳物的側析出戲，使像晶格狡畸變游降低煙，淬仿火內結應力壩下降苗。（2）Ar的轉兄變（20雖0－30王0℃）Ar本質塑上與些原過違冷A并無烈不同天，在丘不同尋溫度凡范圍倚內可加轉變坊為M、B和P。當回書火溫多度達股到20歌0－30排0℃時，Ar發生違明顯甩轉變提。由C曲線黎可知幟，20隱0－30碗0℃屬B下轉括變區惕，所群以Ar在該坐溫度瓜回火異得到B下（蘋少量問）。另外甲，M的分訴解可闊延續谷到35苦0℃左右，在20滋0－30訴0℃范圍拼，除Ar轉變駛，M仍在愛繼續承分解削，在震這溫爆度范叔圍內鋒，鋼詠的硬爹度無禾明顯練降低洽，而興淬火霧內應濾力進災一步勒下降拉。（仍然筒主要屑是M回）（3）碳旅化物技的轉隊變（30煙0－45歉0℃）【回火T的形電成】30吃0℃以上看回火創時，ε碳化喘物將企隨溫先度的搏升高誘逐漸既轉變錦為Fe3C，回奮火溫惠度達駁到45熔0℃時，獻所有跟碳化饑物全編部變引為Fe3C；α固溶吳體實令際已錘變為F。此渾時，委鋼的未組織沙由F和高夫度彌批散分悼布的Fe3C組成去，鋼靠的硬致度下岡降，淬火好應力芳基本暖消除。（4）Fe3C的球穗化、浙長大授和F的再企結晶搶（45監0－70撓0℃）（有的鳥資料元是40班0℃）【回火S的形撫成】片狀銳或針棚片狀F轉變快為多邊幻玉形F。4.歲6.拌3回火復轉變搏的組讓織（1）M回（<3牧50稀℃）由過胸飽α固溶猛體和ε碳化賢物組成嘉，(M回仍戒保留屑原M的片核狀或枝板條資狀形柔態)。（2）T回（35酸0－50茶0℃）由F和彌搭散分倉布的細粒膊狀Fe3C組成秒。（唉仍保丑留原M形態歇）。（3）S回（50戶0－65晝0℃）由已漠再結致晶的捧（多雖邊形乞）F和均于勻分仿布的粗粒宋狀Fe3C組成臟。（4）P回（65例0－A1）由多品變形F和較稼大球勝狀Fe3C組成懲。主要速目的鍬：使神鋼軟慨化或鍛代替崗球化過退火獻，所導以P回不作昌最終捷熱處階理組放織應桃用。4.步6.接4回火撲轉變藥組織圣的性擺能20宴0℃以下嬸回火元，鋼諸的硬路度下透降很按少；像隨回修火溫濁度的搜升高澡，硬滲度迅倉速下赴降，始強度慣提高歌，在30鑄0－40擦0℃彈性鐮極限煩出現案峰值罰。塑繪韌性嚴隨回倒火溫著度的喚升高庫而增補加。高碳完回火M的強度倡、硬恒度高大，而乳塑韌城性差；夾低教碳回丈火M的強韌厘性好；回火T的彈性編極限源高；苗回火S具有良好栽的綜卷合力偏學性棟能。4.塵6.著5回火兔的種匯類及壞應用按回課火溫僵度范膚圍，怎回火害分為土如下葛幾種香：（1）低妻溫回固火（15捐0－25裙0℃）回火鍛組織嚼為M回。硬宴度一減般為58－64勿HR蔥C回火究目的醒：保紗持淬尼火鋼絨高硬膨度和烈高耐咽磨性艦的前危提下晃，降備低淬朝火應傳力和助脆性床。主要扇用于毯：高窗碳的敢切削末刃具能、量影具、悲滾動零軸承以以及改滲碳劍件。（2）中聯溫回關火（35僚0－50悉0℃）T回，硬唯度35－45夕HR澇C目的炸：獲閉得高節的屈究強比鎮（σs/σb）彈翁性極單限（σe）和穗較高鑰的韌喬性。主要掉用于板各種膽彈簧.（3）高簽溫回錫火（50就0－65嘗0℃）S回，硬基度20校0－33紀0H開B（25－35增HR福C）習慣評上，擦將淬火謝＋高熟溫回故火稱元為調炭質處擠理。目斥的：稼獲得較好夏的綜忽合力衫學性察能。主要襖用于條：汽蔽車、貓拖拉縣機等柄的重法要結簽構零川件，遮如齒線輪、引連桿鼓、軸短類等程。區別S和S回：米正火跌的S中Fe3C呈層秋片狀腿；而鋼調質畝處理科的S回中Fe3C呈粒膽狀，S回不僅是強度